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Die
Erfindung betrifft eine Walze und die Verwendung einer Walze zur
Behandlung einer Papier- oder Kartonbahn, mit einer feststehenden
Achse und einem umlaufenden Mantel, die zumindest einen im Wesentlichen
in Axialrichtung der Walze verlaufenden, mit einer konkaven, hydrostatisch
geschmierten Andruckfläche gegen den Mantel wirkenden Anpressschuh
und ein im Umlaufrichtung des Mantels davor angeordnetes Leistenelement
umfasst, welches mit wenigstens einem Stützelement im Wesentlichen
radiale Kräfte aufbringt.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung einer
Papier- oder Kartonbahn mit der genannten Walze.
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Um
einen so genannten Breitnip-Kalander zu schaffen, sind Walzen im
Einsatz die eine feststehende Achse aufweisen. Auf dieser Achse
stützt sich wenigstens ein Anpressschuh ab, der hydraulisch
gegen einen umlaufenden biegeschlaffen Mantel angepresst werden
kann. Um Verschleiß zu vermeiden, ist die Kontaktfläche
des Anpressschuhs, die gegen den Mantel wirkt, hydrostatisch geschmiert.
Eine hydrodynamische Schmierung, wie sie von Presswalzen bekannt
ist, reicht bei den höheren Drücken im Kalander
nicht mehr aus. In der Regel wird der Mantel also hydrostatisch
gegen eine Gegenwalze gedrückt, die meistens beheizbar
ist. Zwischen dem Mantel und der Gegenwalze wird eine laufende Papier-
oder Kartonbahn mit Druck und Temperatur beaufschlagt und somit
satiniert. Um die Kontaktfläche, auch Nip genannt, in Bahnlaufrichtung
möglichst lang zu manchen, weil man den Wärmeübergang
erhöhen will, ist die Anlagefläche des Anpressschuh
an den Mantel oft konkav geformt und der Kontur der Gegenwalze angepasst.
Eine solche Walze wird von der Anmelderin unter dem Namen NipcoFlex-Walze
vertrieben. Eine ähnlich aufgebaute Walze wird als Presswalze zur
Entwässerung einer Papier- oder Kartonbahn verwendet. Wegen
der geringen Andruckkräfte ist eine hydrostatischen Schmierung
nicht notwendig. Auch die Presswalze hat wie die Breitnip-Kalander-Walze
einen biegeschlaffen Mantel aus einem Material mit einem E-Modul
unter 1000 MPa. In der Regel läuft eine Bespannung (Sieb,
Filz) mit der Bahn durch den Nip, um die Feuchtigkeit aufzunehmen.
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Am
Beispiel der
DE 44
15 645 A1 ist eine solche Presswalze zur Entwässerung
offenbart, die in Umlaufrichtung des Mantels vor dem konkav geformten
Anpressschuh ein den Mantel stützendes Leistenelement aufweist.
Bei dieser Walze dient das Leistenelement dazu, den Mantel unter
einem Winkel in den Nip einlaufen zu lassen, der eine hydrodynamische
Schmierung am Anpressschuh sicher stellt.
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Es
hat sich nun gezeigt, dass auch die höhere Druckgebungsmöglichkeit
in einem Breitnip-Kalander oft nicht ausreicht. Eine weitere Erhöhung
der Drücke ist aber nicht möglich, weil die gängigen
Mantelwerkstoffe der Breitnip-Kalander-Walze und der Presswalze
mit einem E-Modul unterhalb von 1000 MPa nur Druckspannungen bis
zu einer gewissen Grenze von etwa 15 N/mm2 (gemittelt)
vertragen können. Die Haupt-Materialkomponente solcher
Mantelwerkstoffe war bislang nämlich Polyurethan.
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Bei
der Wahl anderer, härterer Mantelwerkstoffe wäre
die Biegewechselfestigkeit durch die ständige Umkehr von
konvexem zu konkavem Verlauf und zurück pro Umdrehung der
entscheidende Limitierungsfaktor. Die
DE 69524160T2 offenbart
einen solchen Mantel (Bezugszeichen
11) mit der Hauptkomponente
Epoxid, der, wie deutlich zu erkennen, aber seine konvexe Form bei
der Bahnbehandlung beibehält. Der Mantel der Gegenwalze
(Bezugszeichen
31) ist dagegen aus einem weicheren Material
und kann konkav verformt werden. Der Epoxidmantel muss demnach auch
keine höheren Drücke ertragen als der biegeschlaffe
Mantel der dargestellten Schuhwalze.
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Läuft
ein dicker Bezug aus Epoxid auf einem Metallmantel gegen eine beheizte
Gegenwalze, wie sie im Kalander verlangt ist, so wäre der
Nip bei papiermaschinenüblichen Walzendurchmessern (größer
gleich 600 mm) nicht länger als 25 mm.
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Ein
Mantel aus einem Epoxidharz allein, der über einen konkav
geformten Anpressschuh läuft, würde am Einlauf
des Anpressschuhs derart große Biegemomente und entsprechende
Biegespannungen erfahren, dass seine Lebensdauer für einen
Dauereinsatz in der Papierindustrie viel zu gering wäre. Hinzu
kommt, dass bei einer initiierten hohen Druckspannung im Einlauf
des Anpressschuhs der hydrostatische Schmierfilm mit großer
Wahrscheinlichkeit abreißen würde.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung in einem Kalandernip Druckspannungen über
15 N/mm2 auf die Bahn zu übertragen,
ohne auf einen breiten Nip von mindestens 40 mm Länge zu
verzichten.
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Die
Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Walze dadurch
gelöst, dass das Leistenelement derart gegen den Mantel
andrückbar ist, dass der Mantel tangential auf die konkave,
hydrostatisch geschmierte Andruckfläche des gegen den Mantel
wirkenden Anpressschuhs aufläuft und an der Gegenwalze
anliegt, so dass die Belastungen auf den Mantel im Einlaufbereich
des Anpressschuhs maximal 10% größer als in der
Anpressschuhmitte sind, und der Mantelwerkstoff einen mittleren
E-Modul oberhalb von 4000 MPa aufweist.
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Unter
Belastungen sind hier im Wesentlichen die Druckspannungen im Mantel
zu verstehen. Diese sind heute bei bekannten Materialwerten, Streckenlasten
und geometrischen Verhältnissen über Finite Elemente
Methoden errechenbar. Die Geometrie wird dabei durch die Stellung
des Leistenelementes entschieden beeinflusst.
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Wenn
davon die Rede ist, dass der Mantel an der Gegenwalze anliegt, dann
ist dies im Betrieb natürlich so zu verstehen, dass er
unter Zwischenlage einer Bahn an der Gegenwalze anliegt.
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Mit
dem den Mantelwerkstoff charakterisierenden E-Modul über
4000 MPa wird dafür gesorgt, dass auch Druckspannungen
oberhalb von 15 N/mm2 ohne Weiteres realisierbar
sind. Dabei behält der Nip durchaus eine Länge
oberhalb von 40 mm.
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Während
ein hydrodynamisch erzeugter Schmierfilm in dieser Anordnung bei
den gewünschten Druckspannungen oberhalb von 15 N/mm2 seine Trageigenschaft verlieren würde,
reißt der hydrostatisch erzeugte Schmierfilm in dieser
Ausgestaltung im Einlaufbereich des Anpressschuhs nicht ab.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die konvexen und konkaven Krümmungsradien
des Mantels im Betrieb absolut betrachtet nicht kleiner als 50%
des Krümmungsradius sind, den der Mantel im unbelasteten Zustand
hat.
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Mit
dieser Ausgestaltung wird der Mantel zwar nach wie vor verformt.
Man hält aber die Verformung in Grenzen, bei denen die
Gesamtbelastung des Mantels möglichst klein ist. Der Mantel
wird nur über einen Teil seines Umfangs radial über
die Zylinderform, die er im unbelasteten Zustand einnimmt, hinaus
nach außen (konvex) verformt. In einem anderen Teil wird
er radial nach innen (konkav) verformt. Man kann insgesamt davon
ausgehen, dass die Druck- und Zugbelastungen dann so gleichmäßig verteilt
sind, dass die Belastung insgesamt relativ gering bleibt. Die Belastung
lässt sich allerdings nicht vollkommen beseitigen.
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Durch
das Herausdrücken des Mantels nach außen, und
zwar in einem Abstand vor dem Anpressschuh läuft der Mantel
nicht mehr vor dem Anpressschuh zu einem „Berg” auf,
der einen relativ kleinen Krümmungsradius hat und durch
den der Mantel stark durch Biege- und Druckspannungen beansprucht
wäre. Um ein Beispiel zu bringen, hat sich in Versuchen
und dazu notwendigen Berechnungen gezeigt, dass bei einer Walze
mit einem unverformten Radius von 755 mm der kleinste Krümmungsradius, nämlich
zwischen dem Leistenelement und dem Anpressschuh bei 435 mm liegt.
In diesem Fall ist dann sicher gestellt, dass trotz geringer Krümmung
die Belastungen auf den Mantel im Einlaufbereich des Anpressschuhs
maximal 10% größer als in der Anpressschuhmitte
sind.
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Vorzugsweise
entspricht eine Maximalverformung des Mantels radial nach außen
einer Maximalverformung radial nach innen. Die Maximalverformung
ist der kleinste Krümmungsradius, den der Mantel hat. Dieser
kleinste Krümmungsradius ist in der konvexen Form genauso
groß wie in der konkaven Form. Damit erreicht man ein Verformungsgleichgewicht,
bei dem die Belastung des umlaufenden Mantels relativ gering ist.
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Es
ist von Vorteil, wenn der Mantel aus mindestens drei Lagen aufgebaut
ist. Ein solcher Mantel mit einer Laufschicht (beispielsweise aus
Epoxid oder Metall), auf die der wenigstens eine konkave Anpressschuh
wirkt, einer armierten Zwischenschicht (CFK, GFK, Aramid o. ä.)
und einer Funktionsschicht (Epoxid), die auf die Papier- oder Kartonbahn
Druck ausübt, ist besonders beanspruchbar.
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Alternativ
ist es vorteilhaft, wenn der Mantel zumindest zum Teil aus Metall
besteht. Ein Metallmantel ist in diesem Fall aus einem biegeweichen Blech
zusammengesetzt. Wie der Mantel aus Kunststoff ist er an den Enden
der Walze abgedichtet an Stirnscheiben befestigt. Ein Metallmantel
hat bei der Behandlung verschiedener Papier- und Kartonsorten positive
Eigenschaften, weil er kühl- bzw. beheizbar ist. Außerdem
ist er unter Umständen langlebiger und muss seltener nachgeschliffen
werden.
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Günstig
ist es, wenn auch das Leistenelement eine hydrostatische Schmierung
aufweist. Dadurch wird der Verschleiß des Mantels vermindert. Dazu
können, wie bei dem Anpressschuh, hydrostatische Drucktaschen
auf den dem Mantel zugewandten Flächen vorgesehen sein,
die radial von weiter innen in der Walze mit Schmiermittel versorgt
werden.
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Da
auch am Anpressschuhauslauf unter Umständen höhere
Spannungen auf den Mantel auftreten können, ist es vorteilhaft,
wenn die Walze ein in Umlaufrichtung des Mantels hinter dem Anpressschuh
angeordnetes zweites Leistenelement umfasst. Hier gelten die gleichen
Vorteile wie zuvor beschrieben.
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Bezüglich
des Verfahrens gemäß Anspruch 8 wird die Aufgabe
der Erfindung dadurch gelöst, dass das Leistenelement mit
derart hohem Druck gegen den Mantel gedrückt wird, dass
der Mantel, der einen Mantelwerkstoff mit einem E-Modul oberhalb von
4000 MPa aufweist, tangential auf die konkave, hydrostatisch geschmierte
Andruckfläche des gegen den Mantel wirkenden Anpressschuhs
aufläuft und an der Gegenwalze anliegt, so dass die Belastungen auf
den Mantel im Einlaufbereich des Anpressschuhs maximal 10% größer
als im Mittenbereich des Anpressschuhs sind.
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In
diesem Fall kann über eine einfache Maßnahme dafür
gesorgt werden, dass ein Mantel mit einem Mantelwerkstoff, dessen
E-Modul oberhalb von 4000 MPa liegt, mit deutlich höherem
Druck gegen eine Gegenwalze zur Anlage kommen kann, als dies ohne
die Anstellung des Leistenelementes erfolgen kann, geschweige denn
mit einem Mantel erfolgen könnte, dessen Mantelwerkstoff
einen E-Modul unter 1000 MPa besitzt.
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Die
Belastungen im Eingangs- und im Mittenbereich des Anpressschuhs
sind selbstverständlich in Umfangsrichtung betrachtet.
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Es
ist günstig, wenn das Leistenelement über mehrere
axial verteilte Stützelemente mit Druck beaufschlagt wird.
Zunächst einmal hat man dadurch die Möglichkeit
einer gleichmäßigen und relativ großen
Kraftaufbringung, beispielsweise über Druckzylinder, auf
das Leistenelement. Um beispielsweise einen Epoxidmantel nach außen
zu drücken, sind schon im Vergleich zu Mänteln
aus Pressen oder Breitnip-Kalandern große Kräfte
erforderlich. Zudem wird es bei einer Einzelansteuerung der Druckzylinder
möglich, ein Querprofil der Spannungen auf den Mantel einzustellen.
Insbesondere im axialen Randbereich des Anpressschuhs sind die Verhältnisse
unterschiedlich zu denen in der Mitte des Mantels.
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Bezüglich
der Verwendung einer Walze gemäß Anspruch 11 wird
die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass die Walze,
die einen Mantelwerkstoff mit einem E-Modul oberhalb von 4000 MPa
aufweist, in einem Kalander zur Satinage eingesetzt wird.
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Ein
Kalander ist im Gegensatz zu einer Presse dazu ausgelegt, insbesondere
bei hochwertigen Papieren einen hohen Druck auf die Bahn ausüben zu
können und die Bahn damit entsprechend zu glätten.
Bei der Satinage wird aber auch der Glanz der Bahn erhöht.
Beides ist der späteren Bedruckbarkeit zuträglich.
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Um
ein besonders gutes Satinageergebnis zu erzielen, ist es vorteilhaft,
wenn die Oberflächenrauigkeit des Mantels der Walze unter
einem Ra-Wert von 0,3 μm liegt. Auf diese Weise wird nicht
nur die Bahnseite, die an der glatten und beheizten Gegenwalze anliegt,
geglättet, sondern es treten hinreichend gute Glätteergebnisse
auch an der Bahnseite auf, die an der Walzenseite anliegt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
In dieser zeigt
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1 eine
schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen
Walze
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2 ein
Diagramm zum Vergleich der Druckspannungen am Anpressschuh mit und
ohne Leistenelement
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In
der 1 wird eine Walze 1 offenbart, die in
einem Kalander 21 eingebaut ist. Der Mantel 5 der Walze
bildet außen eine Kontaktfläche mit dem Außenumfang
einer beheizbaren Gegenwalze 2. Zwischen beiden Walzen
wird im Betrieb eine Papierbahn mit Druck und Temperatur beaufschlagt
und auf diesem Weg geglättet.
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Der
Mantel 5 ist an seinen Enden in nicht dargestellter, dem
Fachmann aber bekannter Weise an jeweils einer Stirnscheibe schmiermitteldicht
befestigt. Er kann aus einem Verbund mehrerer Lagen aus Kunststoff
mit Armierungsgeweben oder aber alternativ aus Metall in zumindest
einer Lage bestehen. Beide Materialarten sind auch kombinierbar.
In jedem Fall soll der gemittelte E-Modul des Mantelwerkstoffs über
4000 MPa liegen.
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Ein
Anpressschuh 6 mit konkav gekrümmter Andruckfläche 7 übt
eine Kraft auf den Mantel 5 in Richtung Gegenwalze 2 aus.
Dazu wird zumindest in einem Zylinder 8 ein Druck auf einen
Kolben 12 aufgebaut. Über eine Versorgungsleitung 11 wird
der Zylinder 8 dabei mit Druckmittel, das auch gleichzeitig Schmiermittel
ist, versorgt. Durch eine Kapillare 10 wird ein Teil des
Schmiermittels in eine hydrostatische Drucktasche 9 gefördert,
die in der Andruckfläche des Anpressschuhs eingelassen
ist. Der Anpressschuh kann durchaus mit mehreren Kolben 12 verbunden
sein. Das Schmiermittel erzeugt beim Übertritt aus der
Drucktasche 9 auf die gesamte Andruckfläche 7 ein
Gleitpolster zum Mantel 5. Ein Materialverschleiß sowohl
von der Andruckfläche 7 als auch vom Mantel 5 wird
so weitgehend vermieden.
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Vor
dem Anpressschuh ist ein Leistenelement 13 in der Walze
angeordnet. Hierbei ist die Umlaufrichtung 22 des Mantels 5 zu
beachten. Auch dieses Leistenelement wird wie der Anpressschuh über ein
Stützelement 15, das beispielsweise aus einer Kolben-Zylinder-Einheit
gebildet ist, radial gegen den Mantel gedrückt. Genauso
kann auch hier eine hydrostatische Schmierung 20 vorgesehen
sein. Ein zweites, ggf. baugleiches Leistenelement 14 kann hinter
dem Anpressschuh angeordnet sein.
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Die
Andruckfläche 7 des Anpressschuhs besitzt einen
Einlaufbereich 16 und einen Mittenbereich 17. 2 zeigt
den Unterschied des Druckverlaufs oberhalb der Andruckfläche 7 auf
den Mantel 5 in einem Vergleich mit und ohne Leistenelement.
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Kurve
A zeigt die Druckspannung (p) über der Andruckfläche
(Länge b), wenn das Leistenelement 13 und das
Leistenelement 14 keinen Druck auf den Mantel ausüben.
Man erkennt besonders im Einlaufbereich einen besonders hohen Spannungspeak. Der
Mantelwerkstoff würde in verhältnismäßig
kurzer Laufzeit zu Schaden kommen. Kurve B zeigt dagegen den Spannungsverlauf
bei Einsatz des Leistenelementes mit einer optimal eingestellten
Anlagekraft. Durch den Einsatz des Leistenelementes wird bewirkt,
dass der Mantel tangential an die konkave Andruckfläche
herangeführt wird, so dass er nicht über die Kante
des Einlaufsbereichs 16 „kippen” muss, und
an der Gegenwalze 2 anliegt. Der Spannungsverlauf bleibt
nach seinem Anstieg nahezu gerade und auf gleichem Niveau bis er
am Ende der Andruckfläche (b) wieder abfällt.
Der Mantel 5 wird also deutlich weniger beansprucht, obwohl
er vom Druckniveau her, über 15 N/mm2 liegt.
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Die
Anlagekraft ist dann optimal eingestellt, wenn der Mantel 5 tangential
an die konkave Andruckfläche 7 des Anpressschuhs 6 herangeführt wird
und zusätzlich die konvexen und konkaven Krümmungsradien 18 des
Mantels 5 im Betrieb absolut betrachtet nicht kleiner als
50% des Krümmungsradius 19 sind, den der Mantel
im unbelasteten Zustand hat. Der Krümmungsradius 19 der
unbelasteten Walze ist im Wesentlichen auf dem gesamten Umfang gleich
und definiert einen Kreis. Der Krümmungsradium 18 ist,
bedingt durch den Andruck des Anpressschuhs und der Leistenelemente überall
auf dem Umfang des Mantels unterschiedlich. Beispielhaft ist bei
einer Walze 1 mit einem unverformten Radius 19 von
755 mm der kleinste Krümmungsradius 18, nämlich
zwischen dem Leistenelement 13 und dem Anpressschuh 6,
435 mm.
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Besonders
wenig beansprucht ist der Mantel 5, wenn eine Maximalverformung
des Mantels 5 radial nach außen einer Maximalverformung
radial nach innen entspricht. Bei einigen Walzenkonstruktionen ist
es sinnvoll, mehrere Stützelemente 15 auf das Leistenelement 13 wirken
zu lassen. Durch eine Einzelansteuerung dieser Stützelemente 15 können Spannungskorrekturen,
die insbesondere am Anpressschuhrand notwendig werden können,
eingeleitet werden.
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Bei
der Verwendung der Walze in einem Kalander, wo sie eine besonders
hohe Satinagequalität erzielen kann, sollte die Oberflächenrauigkeit
des Mantels 5 der Walze 1 unter einem Ra-Wert
von 0,3 μm liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Walze
- 2
- Gegenwalze
- 3
- Papier-
oder Kartonbahn
- 4
- Achse
- 5
- Mantel
- 6
- Anpressschuh
- 7
- Andruckfläche
- 8
- Zylinder
- 9
- Drucktasche
- 10
- Kapillare
- 11
- Versorgungsleitung
- 12
- Kolben
- 13
- Leistenelement
- 14
- zweites
Leistenelement
- 15
- Stützelement
- 16
- Einlaufbereich
- 17
- Mittenbereich
- 18
- Krümmungsradius
- 19
- Krümmungsradius
im unbelasteten Zustand
- 20
- hydrostatische
Schmierung des Leistenelementes
- 21
- Kalander
- 22
- Umlaufrichtung
- p
- Druckspannung
- b
- Länge
der Andruckfläche in Umfangsrichtung
- A
- Kurvenverlauf
ohne Leistenelemente
- B
- Kurvenverlauf
mit Leistenelementen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4415645
A1 [0004]
- - DE 69524160 T2 [0006]