FI84506B

FI84506B - PRESSVALS FOER PAPER MASKIN.

Info

Publication number: FI84506B
Application number: FI900898A
Authority: FI
Inventors: Jukka Kinnunen; Pentti Kettunen; Olli-Pekka Sorma; Erkki Kiiski; Pekka Siitonen; Keijo Ruonala
Original assignee: Tampella Oy Ab
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1991-08-30
Also published as: WO1991013204A1; FI900898A; FI900898A0

Description

1 845061 84506

Paperikoneen puristintelaPaper machine press roll

Keksinnön kohteena on paperikoneen puristintela, missä on metallinen runkosylinteri, keraaminen pintakerros 5 ja runkosylinterin ja pintakerroksen välissä välikerros, joka on metallin ja keraamin komposiittiyhdiste.The invention relates to a press roll of a paper machine having a metal body cylinder, a ceramic surface layer 5 and an intermediate layer between the body cylinder and the surface layer, which is a composite compound of metal and ceramic.

Paperikoneen, jolla tässä patenttihakemuksessa tarkoitetaan paperikonetta, kartonkikonetta tms vastaavaa konetta, puristinosassa käytetään kaksi- ja kolmenippises-10 sä telapuristimessa telaa, joka varsin yleisesti on graniitista valmistettu. Graniittisia teloja käytetään graniitin pintaominaisuuksien vuoksi, koska paperiraina irtoaa sen pinnasta hyvin hallitusti ja sen seurauksena on hyvä ajettavuus ja vähäiset katkot. Graniittitela voidaan 15 hioa ja kiilloittaa erittäin hienoksi ja sileäksi, millä on merkitystä erityisesti hieno- ja painopaperilajeille. Lisäksi graniitti kestää hyvin kaavauksen aiheuttamaa kulutusta, mikä merkitsee pitkiä huolto- ja kunnostusväle-jä· 20 Graniitin käyttöä rajoittaa kuitenkin joukko teki jöitä. Paperikoneiden ajonopeudet ovat kasvaneet ja edelleen kasvamassa. Samoin puristuspaineet ovat suuremmat ja lämpötilat korkeammat kuin aikaisemmin, jolloin telaan kohdistuvat mekaaniset ja termiset kuormitukset ovat kas-25 vaneet. Koska graniitti on luonnonmateriaalina epähomogeenista, jolloin sen materiaaliominaisuudet ja pintaominaisuudet ovat epätasaisesti jakautuneet, on sopivan kivimateriaalin saatavuus telojen koon kasvaessa vaikeutunut ja samalla kustannukset ovat nousseet. Myös telan paino on 30 lujuusvaatimusten vuoksi kasvanut käsittelyn ja asennuksen kannalta lähelle äärimahdollisuuksiaan, minkä seurauksena myös runkorakenteiden paino on kasvanut ja seurauksena on ollut koko puristinosan värähtelyalttiuden lisääntyminen.In the press section of a paper machine, which in this patent application means a machine corresponding to a paper machine, a cardboard machine or the like, a two- and three-nip roll press uses a roll which is quite generally made of granite. Granite rolls are used because of the surface properties of the granite because the paper web detaches from its surface in a very controlled manner and results in good runnability and few breaks. The granite roll can be ground and polished to a very fine and smooth finish, which is especially important for fine and printing paper types. In addition, granite is highly resistant to wear caused by the formulation, which means long maintenance and refurbishment intervals. The speeds of paper machines have increased and continue to increase. Likewise, the compression pressures and temperatures are higher than before, which has increased the mechanical and thermal loads on the roll. As granite is inhomogeneous as a natural material, whereby its material properties and surface properties are unevenly distributed, the availability of a suitable rock material has become more difficult as the size of the rolls has increased and at the same time the costs have increased. Due to the strength requirements, the weight of the roll has also increased close to its extreme possibilities for handling and installation, as a result of which the weight of the frame structures has also increased and the result has been an increase in the susceptibility of the entire press section to vibration.

Graniittitelojen korvaamiseksi on kehitelty syn-35 teettisiä telojen pintamateriaaleja, jotka on kiinnitetty 2 84506 metallisten runkojen päälle. Tällaisia ovat mm polymeeri-ja elastomeeripohjäiset yhdisteet, joissa seosaineena on graniittia, piihiekkaa tai muita epäorgaanisia aineita. Edelleen on tunnettua muodostaa telan pinta termisesti 5 ruiskuttavien metallien, keraamisten materiaalien eli keraamien tai näiden yhdisteiden avulla.To replace granite rolls, synthetic roll surface materials have been developed that are attached to 2 84506 metal frames. These include polymer- and elastomer-based compounds in which the mixture is granite, silicon sand or other inorganic substances. It is further known to form the surface of the roll by means of thermally sprayable metals, ceramic materials, i.e. ceramics or these compounds.

Fl-patentissa 70273 ja FI-patenttihakemuksessa 853544 on puristintelan pinnoitteeksi ehdotettu metalleja ja metallin ja keraamin yhdisteitä. FI-patenttihakemukses-10 sa 861803 puolestaan on esitetty puristintelarakenne, jossa metallisen rungon pintaan on kiinnitetty metallinen sidekerros, jonka lämpölaajennuskerroin on pienempi kuin metallirungolla sekä sidekerroksen päälle kiinnitetty keraaminen pintakerros.F1 patent 70273 and FI patent application 853544 propose metals and metal and ceramic compounds for coating the press roll. FI patent application-861803, on the other hand, discloses a press roll structure in which a metallic bonding layer is attached to the surface of a metal body, the thermal expansion coefficient of which is lower than that of the metal body, and a ceramic surface layer attached to the bonding layer.

15 Em. ratkaisuilla on kuitenkin osoittautunut olevan huonoja piirteitä. Polymeeri- ja elastomeeripohjäiset pinnoitteet eivät ole osoittautuneet käytännössä graniitin veroisiksi, koska vain jotkut pinnoitteet ovat toimineet tyydyttävästi ja nekin vain rajoitetuilla paperilajeilla. 20 Termisesti ruiskutettavista pinnoitteista toistaiseksi vain keraamisilla pinnoitteilla on voitu saavuttaa graniitin kaltaiset paperinirrotusominaisuudet. Keraamien tartunnassa perusmateriaaliin ja pinnoitteen pysyvyydessä pitkäaikaisessa käytössä on esiintynyt kuitenkin ongelmia. 25 Koska keraamien ja perusmateriaalin lämpölaajenemiskertoi- met poikkeavat toisistaan, jää materiaalien rajapinnalle pinnoituksen jälkeen jännityskeskittymä, joka edelleen käytön aikana tapahtuvien lämpötilavaihtelujen vuoksi kasvaa. Tämän seurauksena pinnoitteeseen syntyy vaurioita ja 30 se voi käytön aikana ajan mittaan irrota kokonaan. Perusmateriaalin ja varsinaisen pintakerroksen välissä käytetty ohut metallinen välikerros tasaa jossain määrin rungon ja keraamisen pintakerroksen erilaisista lämpölaajenemisker-toimista aiheutuvia jännityksiä, mutta ei käytännössä kui-35 tenkaan riittävästi. Edelleen keraamipinnoitteisissa te- 3 84506 loissa on ongelmana korroosiokestävyys, koska keraamin ollessa huokoinen pääsee kosteus keraamin läpi vaikuttamaan metalliin ja siten synnyttämään korroosiota, joka edelleen heikentää keraamisen pinnoitteen kiinnipysymistä.15 Em. however, the solutions have proven to have disadvantages. Polymer- and elastomer-based coatings have not proved to be practically equivalent to granite, as only some coatings have performed satisfactorily and even with only limited types of paper. 20 Of the thermally sprayable coatings, so far only ceramic coatings have been able to achieve granite-like paper release properties. However, there have been problems with the adhesion of ceramics to the base material and the stability of the coating during long-term use. 25 As the coefficients of thermal expansion of the ceramics and the base material differ, a stress concentration remains at the interface of the materials after coating, which continues to increase due to temperature fluctuations during use. As a result, the coating is damaged and may become completely detached over time during use. The thin metallic intermediate layer used between the base material and the actual surface layer to some extent compensates for the stresses caused by the different thermal expansion coefficients of the body and the ceramic surface layer, but in practice not enough. Furthermore, corrosion resistance is a problem in ceramic-coated rolls, because when the ceramic is porous, moisture can pass through the ceramic to affect the metal and thus cause corrosion, which further impairs the adhesion of the ceramic coating.

5 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sel lainen paperikoneen tela, jossa keraamisen pinnoitteen ja rungon väliset lämpölaajennuskertoimien eroista johtuvat jännitykset on kompensoitu aikaisempaa paremmin ja siten vältetään em. ongelmia. Edelleen keksinnön tarkoituksena 10 on parantaa keraamisella pintakerroksella varustetun telan korroosiokestävyyttä. Keksinnön mukaiselle paperikoneen telalle on ominaista, että välikerros on keraamista ja metallista muodostettu komposiittiyhdiste ja että kompo-siittiyhdisteen komponenttien seossuhde on erisuuri väli-15 kerroksen eri osissa telan säteen suunnassa.The object of the present invention is to provide a paper machine roll in which the stresses due to the differences in the coefficients of thermal expansion between the ceramic coating and the body are better compensated than before and thus the above-mentioned problems are avoided. It is a further object of the invention 10 to improve the corrosion resistance of a roll provided with a ceramic surface layer. The roll of a paper machine according to the invention is characterized in that the intermediate layer is a composite compound formed of ceramic and metal and that the mixture ratio of the components of the composite compound is different in different parts of the intermediate layer in the radial direction of the roll.

Keksintöä selostetaan oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaista telaa akselin suunnassa katsottuna, 20 kuvio 2 esittää kaavamaisesti suurennettuna erästä keksinnön mukaisen telan pintakerroksen ja välikerroksen rakennetta sekä niiden liittymistä telan metallirunkoon ja kuvio 3 esittää kaavamaisesti suurennettuna toista keksinnön mukaisen telan pintakerroksen ja välikerroksen 25 rakennetta sekä niiden liittymistä telan metallirunkoon.The invention is described in the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows a roll according to the invention in the axial direction, Fig. 2 shows schematically enlarged a structure of a roll surface and an intermediate layer according to the invention and their connection to the roll metal body; and Fig. 3 schematically shows another structure and their connection to the metal body of the roll.

Kuviossa 1 on esitetty tela 1, jossa on sinänsä tunnetulla tavalla muodostettu metallinen runkosylinteri 2. Runkosylinterin rakenne ja valmistaminen on alan ammattimiehelle yleisesti tunnettua eikä sitä sen vuoksi tässä 30 tarkemmin selosteta. Runkosylinterin 2 ympärillä on pintakerros 3, joka on jotain sopivaa sinänsä tunnettua keraamista ainetta kuten alumiinioksidia (Al302), titaanioksidia (Ti02), mulliittia (3A1203 x 2Si02) tai näiden seosta tai muita vastaavia oksiidikeraameja.Figure 1 shows a roll 1 with a metal body cylinder 2 formed in a manner known per se. The structure and manufacture of the body cylinder are generally known to a person skilled in the art and will therefore not be described in more detail here. Around the body cylinder 2 is a surface layer 3 which is a suitable ceramic material known per se, such as alumina (Al 3 O 2), titanium oxide (TiO 2), mullite (3A1203 x 2SiO2) or a mixture thereof or other similar oxide ceramics.

35 Pintakerroksen 3 ja runkosylinterin 2 välissä on 4 84506 t lämpölaajenemisia kompensoiva välikerros 4, jonka muodostaa keraamin ja metallin seos. Keraaminen materiaali voi olla samaa tai eri ainetta kuin pintakerros ja se voi olla aiemmin mainittujen lisäksi myös zirkoniaoksidia (Zr02), 5 wolframkarbidia (WC), kromikarbidia (Cr2C3) tai jokin muu karbidikeraami tai näiden seos. Metallinen materiaali voi olla rauta-, kromi-, nikkeli-, kupari-, koboltti- tai alu-miinipohjäinen seos, joista esimerkkeinä mainittakoon ruostumaton teräs, nikkeli-alumiiniseos, kupari-nikkeli-10 seos jne. Välikerroksessa 4 on metallikomponentin ja ke-raamikomponentin suhde sellainen, että metallin määrä on suurimmillaan runkosylinterin 2 vieressä ja sen suhteellinen osuus vähenee pintakerrokseen 3 päin samalla, kun keraamisen komponentin osuus lisääntyy. Tämä voidaan toteut-15 taa joko muodostamalla koko välikerros jatkuvasti seossuh-teeltaan muuttuvaksi tai muodostamalla välikerros useista osavälikerroksista, joiden seossuhde on erilainen ja muuttuu em. periaatteen mukaisesti.Between the surface layer 3 and the frame cylinder 2 there are 4 84506 t thermal expansion compensating intermediate layer 4, which is formed by a mixture of ceramic and metal. The ceramic material may be the same or a different material than the surface layer and may be, in addition to the above, zirconia (ZrO 2), tungsten carbide (WC), chromium carbide (Cr 2 C 3) or some other carbide ceramic or a mixture thereof. The metallic material may be an alloy based on iron, chromium, nickel, copper, cobalt or aluminum, such as stainless steel, nickel-aluminum alloy, copper-nickel-10 alloy, etc. The intermediate layer 4 has a metal component and a ceramic frame component. the ratio is such that the amount of metal is at its maximum adjacent to the body cylinder 2 and its relative proportion decreases towards the surface layer 3 while the proportion of the ceramic component increases. This can be accomplished either by forming the entire intermediate layer to be continuously variable in its mixture ratio, or by forming an intermediate layer of several sublayers having a different mixture ratio and changing according to the above principle.

Kuviossa 2 on esitetty kaavamaisesti suurennettuna 20 eräs keksinnön mukaisen telan pintakerroksen ja välikerroksen rakenne ja niiden liittyminen runkosylinteriin. Runkosylinterin 2 päällä oleva välikerros 4 on muodostettu yhtenä yhtenäisenä kerroksena siten, että keraamista ja metallista komponenttia on samanaikaisesti syötetty esim. 25 ruiskuttamalla ne termisesti runkosylinterin 2 pintaan. Ruiskutuksen aikana on kerroksen paksuuden kasvaessa samalla muutettu komponenttien syöttösuhdetta siten, että metallin osuus on vähentynyt ja kaavamaisesti mustina pisteinä kuvatun keraamiikan osuus on lisääntynyt, kunnes 30 välikerroksen 4 paksuus ja metalli - keraami seossuhde on keraamisen pintakerroksen 3 kiinnittymisen kannalta sopiva.Figure 2 shows schematically enlarged 20 a structure of the surface layer and the intermediate layer of the roll according to the invention and their connection to the frame cylinder. The intermediate layer 4 on the body cylinder 2 is formed as a single unitary layer so that the ceramic and the metal component are fed simultaneously, e.g. by thermally spraying them on the surface of the body cylinder 2. During spraying, as the thickness of the layer increases, the feed ratio of the components is changed so that the proportion of metal is reduced and the proportion of ceramics schematically described as black dots is increased until the thickness of the intermediate layer 4 and the metal-ceramic alloy ratio are suitable for attaching the ceramic surface layer 3.

Kuviossa 3 on esitetty kaavamaisesti suurennettuna eräs toinen keksinnön mukaisen telan pintakerroksen ja 35 välikerroksen rakenne sekä niiden liittyminen runkosylin- 5 84506 teriin. Kuviossa on välikerroksessa 4 kolme erillistä osa-välikerrosta 4a, 4b ja 4c. Ne on muodostettu esimerkiksi ruiskuttamalla metallia ja keraamista komponenttia samanaikaisesti termisellä ruiskutusmenetelmällä runkosylinte-5 rin 2 pintaan, jolloin yhdellä seossuhteella on muodostettu ensimmäinen osavälikerros 4a. Tämän jälkeen on syötettävien materiaalien seossuhdetta ja mahdollisesti myös materiaaleja muutettu siten, että lämpölaajenemiskerroin muuttuu haluttuun suuntaan. Tämän jälkeen kerros 4b on 10 ruiskutettu vastaavalla tavalla kerroksen 4a pinnalle, jonka jälkeen seossuhdetta ja/tai materiaaleja on jälleen muutettu kerroksen 4c ruiskuttamiseksi. Tämän jälkeen on tela sitten päällystetty keraamisella pintakerroksella 3.Figure 3 shows schematically enlarged another structure of the surface layer and the intermediate layer 35 of the roll according to the invention and their connection to the frame cylinders. In the figure, the intermediate layer 4 has three separate sub-intermediate layers 4a, 4b and 4c. They are formed, for example, by spraying a metal and a ceramic component simultaneously by a thermal spraying method on the surface of the body cylinder 5, whereby a first intermediate layer 4a is formed in one alloy ratio. Thereafter, the mixture ratio of the materials to be fed and possibly also the materials have been changed so that the coefficient of thermal expansion changes in the desired direction. Thereafter, the layer 4b is sprayed in a similar manner on the surface of the layer 4a, after which the mixture ratio and / or materials are again changed to spray the layer 4c. The roll is then coated with a ceramic surface layer 3.

Kuvioiden 2 ja 3 mukaisissa ratkaisuissa on lähin-15 nä runkosylinteriä 2 oleva välikerroksen 4 osa tai osavälikerros 4a lähes puhdasta metallia, jolloin se ei läpäise kosteutta ja estää siten korroosion välikerroksen 4 ja runkosylinterin 2 välisessä rajapinnassa. Tästä syystä on lähinnä runkosylinteriä olevan kerroksen tai kerroksen 20 osan oltava korroosiota kestävää materiaalia, kuten ruostumatonta terästä tms. Lähempänä pintakerrosta olevien kerrosten metallin korroosiokestävyyden ei tarvitse olla niin suuri ja se voidaan valita vapaammin sopivan lämpö-laaj enemiskertoimen aikaansaamiseksi.In the solutions according to Figures 2 and 3, the closest part of the intermediate layer 4 or the partial intermediate layer 4a of the body cylinder 2 is almost pure metal, whereby it does not penetrate moisture and thus prevents corrosion at the interface between the intermediate layer 4 and the body cylinder 2. For this reason, the layer closest to the body cylinder or part of the layer 20 must be of a corrosion-resistant material such as stainless steel, etc. The corrosion resistance of the metal of the layers closer to the surface layer need not be so high and can be chosen more freely to provide a suitable thermal expansion coefficient.

25 Välikerroksen ja pintakerroksen valmistamiseen käytetään edullisimmin termisiä ruiskutusmenetelmiä kuten kaasu- tai nestestabiloitua plasmaruiskutusta, liekkiruis-kutusta, hypersoonista liekkiruiskutusta tai detonaatio-ruiskutusta. Eri kerrokset tai niiden osat voidaan valmis-30 taa samalla tai eri menetelmällä.Most preferably, thermal spraying methods such as gas or liquid stabilized plasma spraying, flame spraying, hypersonic flame spraying, or detonation spraying are used to make the intermediate layer and the surface layer. Different layers or parts thereof can be prepared by the same or different method.

Edellä selityksessä ja piirustuksissa keksintöä on kuvattu esimerkinomaisesti eikä sitä ole sidottu siihen. Yhtenäisen välikerroksen metallikomponentti voidaan muodostaa yhdestä tai useammasta metallista ja metallien 35 seossuhde voi muuttua esimerkiksi kerroskorkeuden mukai- 6 84506 sesti siten, että toisen metallin osuus lisääntyy keraa-min tavoin samassa suhteessa tai eri suhteessa halutun välikerroksen rakenteen ja lämpölaajenemisominaisuuksien mukaisesti. Vastaavasti keraaminen komponentti voi sisäl-5 tää yhtä tai useampaa keraamista materiaalia ja eri materiaalien suhde toisiinsa voi olla vakio tai se voi vaihdella. Peräkkäisistä osavälikerroksista tehdyssä ratkaisussa osavälikerrosten metallit voivat olla samoja tai eri metalleja samoin kuin keraami voi olla mikä tahansa aiem-10 min mainituista tarkoitukseen sopivista keraamivaihtoeh-doista. Osavälikerrokset voidaan muodostaa samalla tavoin kuin yksi yhtenäinen välikerros siten, että seossuhde osa-välikerroksen paksuudella telan säteen suunnassa muuttuu sopivamman sovituksen aikaansaamiseksi.In the above description and drawings, the invention has been described by way of example and is not intended to be limiting. The metal component of the unitary interlayer may be formed of one or more metals, and the alloy ratio of the metals 35 may vary, for example, according to the layer height, so that the proportion of the second metal increases in ceramic in the same or different proportions according to the desired interlayer structure and thermal expansion properties. Accordingly, the ceramic component may contain one or more ceramic materials, and the ratio of different materials to each other may be constant or may vary. In a solution made of successive sublayers, the metals in the sublayers may be the same or different metals, and the ceramic may be any of the suitable ceramic alternatives mentioned above for 10 minutes. The sublayers can be formed in the same manner as a single unitary interlayer so that the mixture ratio with the thickness of the sublayer in the radial direction of the roll changes to provide a more suitable fit.

Claims

A press roll of a paper machine having a metal body cylinder (2), a ceramic surface layer (3) and an intermediate layer (4) between the body core-5 cylinder (2) and the surface layer (3), characterized in that the intermediate layer (4) is formed of ceramic and metal composite compound and that the mixture ratio of the components of the composite compound is different in different parts of the intermediate layer (4) in the radial direction of the roll.

Press roll according to Claim 1, characterized in that the ratio of the components of the composite compound is such that the proportion of metallic components is greatest in the vicinity of the body cylinder (2) and decreases radially as the distance to the body cylinder (2) increases as the proportion of ceramic components increases.

Press roll according to Claim 1 or 2, characterized in that the intermediate layer (4) is formed from a uniform layer of composite compounds and in that the mixture ratio of the components in the radial direction of the roll (1) changes substantially continuously.

Press roll according to Claim 1 or 2, characterized in that the intermediate layer (4) is formed by at least two partial intermediate layers (4a to 4c).

Press roll according to Claim 4, characterized in that each intermediate intermediate layer (4a to 4c) is formed from the same components and that the mixture ratio of the components of each intermediate layer (4a to 4c) is different.

Press roll according to one of the preceding claims, characterized in that the coefficient of thermal expansion of the entire intermediate layer (4) is lower than the coefficient of thermal expansion of the frame cylinder (2).

Press roll 35 according to one of the preceding claims, characterized in that the coefficient of thermal expansion of the intermediate layer β 84506 (4) is greatest next to the frame cylinder (2) and smallest next to the surface layer (3).

7 84506 (

Press roll according to Claim 4 or 5, characterized in that the component ratios of the intermediate layers (4a to 4c) are chosen such that the coefficient of thermal expansion changes substantially uniformly from one intermediate layer (4a to 4c) to another from the body cylinder (2) to the surface layer (3). .

Press roll according to Claim 8, characterized in that the coefficient of thermal expansion of each of the intermediate layers (4a to 4c) is different.

Press roll according to Claim 8 or 9, characterized in that the coefficient of thermal expansion of each intermediate layer (4a to 4c) is less than the coefficient of thermal expansion of the frame cylinder (2) and that the coefficient of thermal expansion is greatest in the sublayer adjacent to the frame cylinder (2) the smallest in the intermediate layer (4c) adjacent to the surface layer (3). 9 84506